柳永灿 张坤 杨强

摘要 工业生产过程中，随着自动化程度的不断加深，操作指令的传递越来越多地依赖于计算机网络。各枢纽设备和其他关键节点之间所形成的网络是否稳定可靠，是否具备冗佘和高容错性，直接关系到生产过程是否平稳顺利。本文通过对交换机冗佘链路技术的研究，搭建了具备生成树协议的冗余实验网络，分析和验证了不同品牌交换机在实际组网案例中的具体应用。

[关键词]冗余链路 环路 生成树协议

工业以太网具有特殊性，只有健壮、高效和可靠的网络才能满足自动化工业生产的要求。然而在诸多应用到工业以太网的场合，其设备所处的环境都相当复杂，用户对以太网的可靠性要求也越来越高。交换机冗余链路技术可以解决因突发线路故障造成的信息中断问题，保证在网络单链路发生中断时，对联网设备几乎没有任何影响。这大大提高了工业以太网应用到生产实践的可行性。

1 冗余链路应用案例

为了直观的了解冗余链路的基本形态，我们可以通过一个简单的案例进行介绍。某工业自动化系统中包含1台服务器和3台终端，要求所有设备组成局域网并相互连通，具备高可靠性。我们根据要求大致有两种解决方案：

（1）建立树形网络，以1台交换机为核心向其它3台交换机扩展;

（2）将4台交换机组成环形网络，建立冗余链路，如图1所示。

方案一，优点是网络拓扑清晰、交换机配置简单明了，缺点是三条链路均无冗余备份能力，自动化系统运行过程中如果任何一条链路发生故障都会严重影响生产过程;方案二，优点是通过交换机冗余连接技术可以确保在任何一条链路发生故障时，都不会影响任一设备的连通性，网络容错能力强，缺点是交换机配置较为复杂，易产成环路影响。在本文中我们主要对第二套方案进行分析，通过介绍环路影响和生成树协议的基本概念，熟悉交换机关于生成树协议的具体配置，进一步完成模拟实验。

2 环路带来的影响

在图1所示案例中，我们能很明显地看到，交换机SW1、SW2、SW3与SW4在物理连接上形成了一个环路。交换网络如果发生逻辑环路后果是非常严重的，它的具体现象包括广播风暴、多帧复制及MAC地址表抖动，轻者会造成网速变慢，重者可以导致全网瘫痪。拿广播风暴来讲，当交换机的某个端口接收到数据包后，会完整地复制一份数据包转发到本地网段的其它端口，收到数据包的端口会继续向其所连接的设备和端口转发，这样一个数据转发的过程就是“广播”;当网络形成环路或出现其他设计和连接问题时，数据包被转发多次后又被发回原来的端口继续循环转发，网段内发生大量的重复广播，数据帧被大量复制而占满带宽并消耗交换机的CPU资源，从而导致网络阻塞甚至是网络瘫痪，即所谓的“风暴”。

3 生成树协议

生成树协议可以很好地解决上述环路影响。接下来我们简要介绍几种IEEE生成树协议及Cisco交换机MST协议。

3.1 STP基本原理介绍

生成树协议（STP，Spanning TreeProtocol）根据IEEE 802.ld标准建立。配置STP协议后，网络交换机可以通过彼此交互信息来发现环路，有选择地阻塞掉某些端口，形成逻辑上无环路的网络。STP端口状态分为：Forwarding、Leaming、Listening、Blocking和Disabled，通过端口状态的变化来确定逻辑链路的形态。

3.2 RSTP

IEEE 802.ld定义了STP之后，IEEE又推出了RSTP标准作为对STP的补充。RSTP协议端口状态减为3种：Forwarding、Leaming、Discarding，极大的提高了收敛效率。

3.3 MSTP

MSTP与RSTP在许多方面是完全一致的，主要区别就在于MSTP可以在一个交换网络中划分多个MST域，在一個域中又可以有多个实例。其适用于一些规模较大，结构较为复杂的的多VLAN网络，可在VLAN间实现数据流量的负载均衡。MSTP定义的端口状态与RSTP协议中的定义完全相同。

3.4 Cisco交换机MST协议

CISCO的生成树协议大体可分为STP、RSTP、PVST及MST协议等。其中MST与标准的MSTP协议基本一致。只要在与Cisco交换机连接的华为交换机上配置好“摘要侦听”功能，它们就具备了很好的兼容性。

4 应用实验

在工业以太网实际组网过程中，为了具备最好的设备兼容性，一般宜选用相同品牌的交换机进行组网。为了全面地了解不同品牌交换机关于生成树协议的具体操作命令，同时应对部分情况下无法利用相同品牌交换机入网的实际情况，我们选用思科3750X、华为S3300、H3C S3600以及中兴ZXR10-5250交换机来分别模拟图l所示案例中的SW1、SW2、SW3及SW4组成实验网络。四种交换机根据命令行特点，大致分为华为模式和思科模式两种。本实验华为模式的交换机选用MSTP，思科模式的交换机选用MST。我们在交换机SW1上配置两个VLAN（VLAN10，VLAN20），网桥ID设置为4096，成为根网桥。SW2、SW3、SW4交换机的网桥ID分别设置为8192、12288、16384，在所有交换机上将用于级联的端口设为trunk模式，允许所有VLAN通过，将用于连接终端电脑的端口设置为access模式，配置在VLAN10中，将连接服务器的端口配置在VLAN20中。

4.1 网络拓扑图

如图2所示。

4.2 交换机配置要点（部分代码）

4.2.1 思科3750X （SWl）

spanning-tree pathcost method short//配置路径开销算法采用short方式

spanning-tree mode mst//配置生成树协议模式为MST

spanning-tree mst configuration//配置业务vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10， 20

spanning-tree mst O priority 4096//将SW1配置为MSTO的根桥

interface GigabitEthernetl/0/3

spanning-tree portfast//配置连接PC的端口为边缘端口，以免影响环网收敛

4.2.2华为S3300 （SW2）

stp instance O priority 8192//配置该交换机的网桥ID为8192

stp pathcost-standard dotld-1998//配置路径开销算法为dotld-1998，与思科short对应

stp enable

stp mode mstp//配置生成树协议模式为MSTP

stp region-configuration//配 置 业 务vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10 20

active region-configuration

interface Ethemet0/0/1

stp config-digest-snoop//与思科连接的端口配置摘要侦听

stp compliance dotls

bpdu enable//華为交换机需要打开bpdu收发开关，

interface Ethemet0/0/3

stp edged-port enable//边缘端口使能命令

bpdu enable

4.2.3 H3C S3600（ SW3）

stp instance O priority 12288//配置该交换机的网桥ID为12288

stp mode mstp//配置生成树协议模式为MSTP

stp pathcost-standard dotld-1998//配置路径开销算法为dotld-1998，与思科short对应

stp enable

stp region-configuration//配 置 业 务vlanl0、vlan20在MSTO中

instance O vlan 10 20

active region-configuration

interface Ethemetl/0/1

stp config-digest-snooping

stp compliance dotls

interface Ethemetl/0/3

stp edged-port enable//边缘端口使能命令

4.2.4中兴ZXR10-5250 （SW4）

set vlan 10 add port 3 untag//将3口设为access口，归到VLAN10下

set port 3 pvid 10//把端 口3pvid至VLAN10中

set vlan 10 add port l-2 tag//设置端口1和2为trunk，允许VLAN10及VLAN20通过

set vlan 20 add port l-2 tag

set stp enable//开启生成树协议

set stp instance O priority 16384//配置该交换机的网桥ID为16384

set stp forceversion mstp//配置STP协议的强制类型为MSTP

set stp instance O add vlan 10，20//配置业务vlanl0、vlan20在MSTO中

set stp edge-port add port 3//将3口设为边缘端口

4.3 测试

每台交换机分别做完配置后，按照图2的连接关系组成实验网络。3台终端同时长ping服务器地址192.168.1.100，以测试网络通断。环网正常连接时，各终端均能正常plng通服务器。为了模拟实际运行过程中某一条线路突发中断的情况，我们分别拔掉网线LINE1、LINE2、LINE3、LIN4中的一根，观察各终端pmg服务器的情况，并记录各交换机端口状态。通过观察，拔掉四条线路中的任何一条，各终端都能够连续pmg通服务器或者掉1个包后继续ping通，不会对信息传输产生影响。

5 结语

工业以太网，由于其所处环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，使得其对通信链路稳定性的要求大大加强。通过交换机冗余链路技术可以很好地解决网络线路突发中断造成的网络故障，增强了整体网络的容错能力。当不同品牌交换机存在于同一个网络时，通过对生成树协议的正确配置，同样可以使冗余链路技术得到很好地发挥。

参考文献

[1]宋洪娟.VLAN与STP在园区网组建中的融合应用[D]，电脑知识与技术，2009 （05）.

[2]程宁.VRRP和MSTP协议在企业园区网的应用与研究[D].软件，2013 （07）.